鋰離子電池想必大家在日常生活中都是接觸得到的，自鋰離子電池開(kāi)發(fā)至今，已有三十多年歷史。鋰電之父Goodenough對(duì)鋰電行業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)，從鈷酸鋰到磷酸鐵鋰到全固態(tài)電池的提出，使得他在本行業(yè)內(nèi)享有盛譽(yù)，也正因?yàn)槿绱耍?5歲高齡的Goodenough更是在今年榮獲2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

鋰離子電池的使用范圍已經(jīng)是目之所及之處的廣泛應(yīng)用，那么對(duì)于此材料的認(rèn)識(shí)可能并不是所有人都有詳細(xì)了解的，今天主要給大家介紹的是鋰離子電池中的隔膜材料相關(guān)內(nèi)容。

從結(jié)構(gòu)上看，鋰離子電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜以及電池外殼材料組成。隔膜是其中一個(gè)重要組成部分，在電池中隔離正負(fù)電極反應(yīng)，讓電解液中的陰陽(yáng)離子選擇性自由通過(guò)，進(jìn)而組成完整的電池通路。充電時(shí)，鋰離子（Li+）從正極脫出在電解液中穿過(guò)隔膜到達(dá)負(fù)極并嵌入到負(fù)極晶格中，此時(shí)正極處于貧鋰態(tài)，負(fù)極處于富鋰態(tài)；而放電時(shí)，Li+再?gòu)母讳噾B(tài)的負(fù)極脫出再次在電解液中穿過(guò)隔膜到達(dá)貧鋰態(tài)的正極并插入正極晶格中，此時(shí)正極處于富鋰態(tài)，負(fù)極處于貧鋰態(tài)。為保持電荷的平衡，充、放電過(guò)程中Li+在正負(fù)極間遷移的同時(shí)，有相同數(shù)量的電子在外電路中來(lái)回定向移動(dòng)從而成電流。隔膜的性能在保證鋰離子電池的安全性和提高鋰離子電池性能等方面有直接影響。因此設(shè)計(jì)與制備良好的隔膜材料對(duì)于提高鋰離子電池容量、安全性等性能具有非常重要的作用

對(duì)于鋰電池使用的隔膜主要有以下性能要求：

⑴力學(xué)強(qiáng)度

隔膜在電池結(jié)構(gòu)及充放電反應(yīng)過(guò)程中需要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。隔膜的一個(gè)重要作用是將正負(fù)極反應(yīng)隔開(kāi)，如果隔膜皺縮或破裂導(dǎo)致電解液滲透，就會(huì)發(fā)生電池短路，具有很大的安全隱患，因此隔膜需要有一定的力學(xué)強(qiáng)度和韌性。鋰離子電池在充電過(guò)程中鋰離子被還原生成金屬鋰枝晶，這就要求隔膜材料要有一定的抗穿刺強(qiáng)度。另外，隔膜材料也應(yīng)該具有一定的拉伸強(qiáng)度，鋰離子電池在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)放出或吸收熱量，隔膜會(huì)發(fā)生相應(yīng)的漲縮，如果隔膜的拉伸強(qiáng)度不夠，就會(huì)造成隔膜破損，也會(huì)導(dǎo)致短路發(fā)生。

⑵穩(wěn)定性

由于鋰離子電池中電解質(zhì)溶液除了水溶劑，還會(huì)采用有機(jī)溶劑和非水電解液，因此隔膜應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性能，能夠在電池多次充放電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完整性與反應(yīng)的穩(wěn)定性。此外，鋰離子電池在充放電反應(yīng)中會(huì)放熱，電池在連續(xù)工作時(shí)溫度會(huì)升高，隔膜的熱穩(wěn)定性能夠保證在電池長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)減少收縮形變量，避免電池皺縮導(dǎo)致的正負(fù)極接觸而導(dǎo)致電池短路。

⑶孔隙分布及孔隙率

隔膜為了保持鋰離子良好的透過(guò)能力，材料需要具備一定大小的孔隙，并保證低電阻和高離子傳導(dǎo)率。孔隙大小將影響電池內(nèi)阻及電池的安全性。孔隙太小會(huì)使離子穿透率減低而增大電池內(nèi)阻，孔隙過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致電池正負(fù)極接觸概率增大易導(dǎo)致短路，起不到隔膜的效果。優(yōu)良的鋰離子電池隔膜應(yīng)保證孔隙大小合適、分布均勻，不然會(huì)導(dǎo)致局部電流過(guò)大或過(guò)小，影響電池性能。

⑷其他性能

此外，隔膜的自關(guān)閉技能在電池安全性方面至關(guān)重要。自關(guān)閉機(jī)理要求隔膜在過(guò)載大量放熱，溫度升高過(guò)高，接近材料熔點(diǎn)時(shí)隔膜結(jié)構(gòu)中孔隙閉合，成功隔絕離子穿梭，停止正負(fù)極反應(yīng)形成斷路，以在過(guò)熱情況下防止電池爆炸。隔膜的浸潤(rùn)性也是評(píng)價(jià)隔膜性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，為保證離子的順利傳輸，隔膜需要和電解液充分接觸，有良好的浸潤(rùn)性、與電解液的滲透能力和離子穿透能力。

鋰離子電池隔膜作為鋰離子電池四大主要材料之一，一般是絕緣性較好的材料，提供鋰離子在電解液中的遷移通道。根據(jù)物理、化學(xué)特性的差異，鋰電池隔膜可以分為：織造膜、非織造膜（無(wú)紡布）、微孔膜、復(fù)合膜、隔膜紙、碾壓膜等幾類(lèi)。雖然類(lèi)型繁多，至今商品化鋰電池隔膜材料主要采用聚乙烯、聚丙烯微孔膜。

據(jù)電池中國(guó)網(wǎng)了解，目前我國(guó)動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)超過(guò)200家，是全球擁有動(dòng)力電池企業(yè)最多的國(guó)家。資料顯示，2017年全球動(dòng)力電池銷(xiāo)量前10的企業(yè)中，中國(guó)企業(yè)就占了7席。據(jù)福布斯新聞網(wǎng)報(bào)道，預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)在全球電池市場(chǎng)所占的份額將超過(guò)70%。

雖然我國(guó)已經(jīng)形成了比較完善的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈，規(guī)模已經(jīng)足夠"大"，但是還不夠"強(qiáng)"，部分關(guān)鍵的核心技術(shù)依然受制于人，存在中興式"被卡脖"的風(fēng)險(xiǎn)。

其中，鋰電池隔膜技術(shù)就是目前我國(guó)動(dòng)力電池業(yè)的一個(gè)痛點(diǎn)。在鋰離子電池材料中，正負(fù)極材料和電解液目前基本上實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，而隔膜起步較晚，國(guó)內(nèi)企業(yè)技術(shù)成熟度不高。雖然近幾年我國(guó)鋰電池隔膜國(guó)產(chǎn)化率在不斷提升，但占據(jù)的主要是低端3C類(lèi)電池隔膜市場(chǎng)，高端隔膜國(guó)產(chǎn)化率仍然很低，高端3C類(lèi)電池以及動(dòng)力電池用隔膜依然大量依賴(lài)進(jìn)口。

根據(jù)國(guó)家工業(yè)和信息化部印發(fā)的《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2011～2020年）》，到2020年，我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)生產(chǎn)能力達(dá)200萬(wàn)輛/年。據(jù)此估算，未來(lái)我國(guó)每年需要的高品質(zhì)車(chē)用動(dòng)力電池隔膜材料需求量將達(dá)到數(shù)億平方米。

雖然高端隔膜的境況還未得到改善，但隨著國(guó)內(nèi)的需求量提高，研發(fā)實(shí)力也已經(jīng)逐步提升。就制備高孔隙率、高熱阻、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、對(duì)電解液具有良好浸潤(rùn)性的鋰電池隔膜材料，在技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域，研究者在傳統(tǒng)聚烯烴隔膜的基礎(chǔ)上也發(fā)展了多種新型鋰電池隔膜材料。

材料一：PMIA

PMIA是一種芳香族聚酰胺，在其骨架上有元苯酰胺型支鏈，具有高達(dá)400℃的熱阻，由于其阻燃性能高，應(yīng)用此材料的隔膜能提高電池的安全性能。

此外，由于羰基基團(tuán)的極性相對(duì)較高，使得隔膜在電解液中具有較高的潤(rùn)濕性，從而提高了隔膜的電化學(xué)性質(zhì)。使其具備商業(yè)化的前景。

材料二：PET

聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)是一種機(jī)械性能、熱力學(xué)性能、電絕緣性能均優(yōu)異的材料。PET類(lèi)隔膜最具代表性的產(chǎn)品是德國(guó)Degussa公司開(kāi)發(fā)的以PET隔膜為基底，陶瓷顆粒涂覆的復(fù)合膜，其表現(xiàn)出優(yōu)異的耐熱性能，閉孔溫度高達(dá)220℃。

靜電紡絲PET隔膜熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于PE膜，為255℃，最大拉伸強(qiáng)度為12Mpa，孔隙率達(dá)到89%，吸液率達(dá)到500%，遠(yuǎn)高于市場(chǎng)上的Celgard隔膜，離子電導(dǎo)率達(dá)到2.27×10-3Scm-1，且循環(huán)性能也較Celgard隔膜優(yōu)異，電池循環(huán)50圈后PET隔膜多孔纖維結(jié)構(gòu)依然保持穩(wěn)定。

材料三：PBO

新型高分子材料PBO(聚對(duì)苯撐苯并二唑)是一種具有優(yōu)異力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、阻燃性的有機(jī)纖維。其基體是一種線性鏈狀結(jié)構(gòu)聚合物，在650℃以下不分解，具有超高強(qiáng)度和模量，是理想的耐熱和耐沖擊纖維材料。

由于PBO纖維表面極為光滑，物理化學(xué)惰性極強(qiáng)，因此纖維形貌較難改變。PBO纖維只溶于100%的濃硫酸、甲基磺酸、氟磺酸等，經(jīng)過(guò)強(qiáng)酸刻蝕后的PBO纖維上的原纖會(huì)從主干上剝離脫落的，形成分絲形貌，提高了比表面積和界面粘結(jié)強(qiáng)度。

材料四：PI

聚酰亞胺(PI)同樣是綜合性能良好的聚合物之一，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、較高的孔隙率，和較好的耐高溫性能，可以在-200～300℃下長(zhǎng)期使用。

由于PI極性強(qiáng)，對(duì)電解液潤(rùn)濕性好，所制造的隔膜表現(xiàn)出很好的吸液率。靜電紡絲制造的PI隔膜相比于Celgard隔膜具有較低的阻抗和較高的倍率性能，0.2C充放電100圈后容量保持率依然為100%。

鋰離子電池因其具有比能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于特種和民用小型電器中，如移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等，部分代替了傳統(tǒng)電池。但目前亟待解決的隔膜問(wèn)題還需要材料人，化學(xué)人的不斷努力。